2023年12月5日，《Optica》在线发表了由华中科技大学武汉光电国家研究中心生物医学光子学研究部、华中科技大学生物医学光子学教育部重点实验室MOST团队杨孝全教授的研究论文，题为《Boosting the performance of light-sheet microscopy via synchronous detection from the illumination and detection light path》（从照明和探测光路同步探测增强光片显微镜的性能）。这一研究发展了同步探测光片显微成像技术，在不增加图像采集时间和光子开销的前提下，仅依靠在照明光路后端进行同步探测，显著提升了轴向扫描光片显微成像的分辨率和对比度，有望拓展高性能轴向扫描光片显微成像的应用范围。
光片显微镜具有天然的光学切片能力和高通量特性，因此被广泛应用于活体样本的三维动态成像和大型离体器官的三维高速成像。轴向扫描光片将照明光片沿其传播方向扫描，并利用相机的卷帘曝光模式只捕获光束束腰激发的信号，弥补了常规光片显微镜分辨率不足的缺陷。但理想的轴向扫描光片对扫描器件的线性以及样本的透明程度有着严苛的要求，扫描器件的非线性和样本的散射将造成分辨率和对比度的显著下降。
针对器件非线性导致分辨率降低的问题，该研究提出将从探测端捕获的轴向扫描光片数据与照明端捕获的线共聚数据进行融合，融合方法采用空间可变多视角去卷积。结合照明物镜同步探测后，在整个视场都实现了各向同性的三维高分辨率，相比常规的轴向扫描光片提升了至多14.6倍的分辨率。通过基于音圈电机和电动可变焦透镜的成像系统分别对光学透明鼠脑（图1）以及斑马鱼进行成像，证明了该分辨率增强方法在生物样本上同样有效，而且能改善不同器件非线性带来的分辨率退化。
图1 同步探测光片提升分辨率的结果
针对样本散射导致的对比度下降问题，提出在轴向扫描光片成像的同时通过照明物镜捕获多线共聚焦数据，利用线照明调制原理从多线共聚焦数据中获得高对比度的线照明调制数据。以低分辨高对比度的线照明调制数据为参考，估计轴向扫描光片数据中的图像背景，利用高低频分离的方式从轴向扫描光片数据中去除图像背景。通过对散射仿体进行成像，证明利用照明物镜同步探测实现了至多8.2 dB信背比的增强。最后对PI染色的小鼠脑片以及免疫染色的类器官（图2）进行了成像，证明了该成像方法在不产生明显伪影和降低图像分辨率的前提下，显著提高了成像的对比度。
图2同步探测光片增强对比度的结果
华中科技大学武汉光电国家研究中心生物医学光子学研究部杨孝全教授为通讯作者，华中科技大学武汉光电国家研究中心生物医学光子学研究部博士生刘广才为第一作者。华中科技大学苏州脑空间信息研究院江涛博士、华中科技大学武汉光电国家研究中心生物医学光子学研究部龚辉教授以及海南大学骆清铭院士、李向宁教授、博士生邓知雨、硕士生王梓豪共同参与了相关工作。
本研究得到了科技创新2030－重大项目（2021ZD0200104, 2021ZD0201001）、中国国家自然科学基金（32192412）以及中国医学科学院医学科学创新基金（2019-I2M-5-014）的资助。
文献链接：
https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-10-12-1619&id=544133
